探测三维物体外形的方法和设备.pdf

本发明的目的是提供一种探测三维物体外形的设备和方法，该方法探测时间极短，尤其比目前技术条件下已知方法的探测时间明显要短，因此该方法另外也适用于探测快速运动的或者快速变化的被测物体的三维外形。根据本发明，由待测物体散射的和/或反射的和/或发射的光线的传播时间作为光强调制被编码，并测量光强或光强分布。以光强分布的测量数值可以求得该三维物体的外形。

1.  探测三维物体外形的方法，包括步骤：
a)对由待测物体散射的和/或反射的和/或发射的光的传播时间作为光强调制进行编码，
b)测量光强或光强分布，
c)对测量数据进行计算并求得该三维物体的外形。

2.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在对光的传播时间作为光强调制进行编码和对光强进行测量之前，采用一合适的光源照射该待测物体。

3.  根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对光的传播时间作为光强调制进行的编码通过至少一个具有与时间相关的吸收、反射、透射和/或极化变化的转换器产生。

4.  根据权利要求3所述的方法，其特征在于，光的传播时间在光强调制中的编码借助至少一以染料为基础的非线性吸收体、一染料溶液、一滤光器和/或一半导体开关产生。

5.  根据权利要求4所述的方法，其特征在于，该染料是三苯甲烷染料。

6.  根据权利要求4所述的方法，其特征在于，该半导体开关具有一GaAs结构。

7.  根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对光的传播时间作为光强调制进行的编码是借助至少一个以极化效应为基础的光闸而产生的。

8.  根据权利要求7所述的方法，其特征在于，该光闸是一克尔盒或一泡克耳斯盒。

9.  根据权利要求8所述的方法，其特征在于，极化旋转扩散是通过所用液体的粘滞度的变化而发生变化的。

10.  根据权利要求2所述的方法，其特征在于，该光源是一脉冲激光光源。

11.  根据权利要求3至9中任一项所述的方法，其特征在于，该透射或吸收变化的转换器由一脉冲激光光源照射。

12.  根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，光强的测量是借助一胶片，一CCD照相机，一CMOS照相机，一CCD行照相机或一CMOS行照相机实现的。

13.  根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于，对未通过一转换器的，由物体散射的和/或反射的和/或发射出来的光的光强，附加地进行至少一次测量。

14.  根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其特征在于，在大量时间移位地对光的传播时间作为光强调制进行编码和测量光强的基础上，和/或在大量同时地对光的传播时间作为光强调制进行编码和通过多个测量通道测量光强的基础上，对测量数据进行计算。

15.  根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其特征在于，借助至少一个光闸，使由物体散射的和/或反射的和/或发射的光，对测量设备的影响在时间上受到限制。

16.  根据权利要求1至15中任一项所述的方法，其特征在于，只对一维或者二维进行测量和/或计算。

17.  根据权利要求1至16中任一项所述的方法，其特征在于，在大量对光的传播时间作为光强调制进行编码和测量光强的基础上，对测量数据进行计算，这时多个转换器被同时或依次地使用于不同的测量通道中。

18.  一种用于探测三维物体外形的设备，具有至少一个用于测量由待测物体发射的光线光强的单元和至少一个用于计算测量数据的单元，其特征在于，该设备具有至少一个转换器，该转换器具有与时间相关的吸收、反射、透射和/或极化的变化。

19.  根据权利要求18所述的设备，其特征在于，该转换器是一以染料为基础的非线性吸收体、一染料溶液、一滤光器和/或一半导体开关。

20.  根据权利要求19所述的设备，其特征在于，该染料是三苯甲烷染料，并且该半导体开关具有一GaAs结构。

21.  根据权利要求18所述的设备，其特征在于，该转换器是一光闸，比如一克尔盒或一泡克耳斯盒。

22.  根据权利要求18至21中任一项所述的设备，其特征在于，该设备附加有一光源。

23.  根据权利要求22所述的设备，其特征在于，该光源是一脉冲激光器。

24.  根据权利要求18至23中任一项所述的设备，其特征在于，该用于测量光强的单元是一CCD照相机、一CMOS照相机、一CCD行照相机或一CMOS行照相机。

25.  根据权利要求18至24中任一项所述的设备，其特征在于，该设备具有多个测量通道。

26.  根据权利要求18至25中任一项所述的设备，其特征在于，该设备附加有反射镜、部分透射反射镜、光学成像系统和/或光闸。

探测三维物体外形的方法和设备
本发明涉及一种探测三维物体外形的方法和设备。
探测物体外形的方法已应用于工业生产，尤其应用于质量控制的许多领域中。其将物体的几何数据通过合适的测量设备在计算机中转换为数字化数据，然后通过程序实现对尺寸精确性和其他参数的控制。
为探测物体的外形，公知有各种不同的机械和光学方法。在机械方法中，典型的方式是借助传感器逐点探测测量物体，然后通过逐点测量结果的彼此连接，确定物体的三维外形。该方法的缺点是，一方面，必须要机械地接触被测物体；另一方面，为了得到高精确性，需要很长的测量时间。
光学方法的最大优点在于，其是无接触探测的，并由此对物体不产生机械影响。这样便可以排除由于测量本身引起的物体形变。光学外形探测方法特别的优点在于，被测物体的表面是可变形的，比如是弹性材料的情况。无接触工作的外形探测方法的另一个优点在于，能同时测量大量的目标点这样的微小面积单元。同机械探测方法相比，其真正地实现了更短的测量时间。因此其也可以测量出，机械探测方法通常难于测出的具有高度等级的物体结构。
公知的光学外形探测方法是基于三角测量法或干涉技术原理进行的。
在三角测量法中，一光点投射到待测物体的表面上，并在偏离照明设备的方向上，观测该光点。从在空间中投射光的取向和被观察的观测点的方向，就可以计算出被照射点的空间坐标。该方法相对来讲很准确，并具有唯一性。但是，因为必须对待测物体表面进行逐点测量，所以对物体完整形状的探测需要很长的时间。因为通过这种方法不能测量在空间中运动的或变化的物体，而由此成为该方法的缺点。所以在该三角测量法的基础上，进一步开发了光散射技术(Lichtschnitt-Technik)和光带投射技术(Streifenprojektion)。
在光散射技术中，代替单个光点，光线以一条线投射到待测物体的表面上。该光线可在偏离照明方向上由一照相机观测或记录，以同上述三角测量法中一样的方式得到该被照射点的空间坐标。该线投射技术方法尽管比逐点方式的三角测量法快，但仍然比一次可以更大面积进行探测的其它方法慢。
光带投射技术是线投射技术的进一步发展，即以多条光线同时投射到待测物体的表面上。光线强度在横向方向上周期性变化，并使观测相机能区别出单个光线。因为该方法一次可以探测更大的表面范围，因此其比线投射技术更快。但是其不能区分相同强度的光线，因此至少测量结果的唯一性会有部分损失。
为了更准确地进行测量，常常采用光干涉测量方法，比如白光干涉测量方法。但所有上述方法的缺陷是，都需要很长的测量时间，典型的是需要很多秒钟，而在高精度要求下，其测量需要持续很多分钟。在此，可达到的最小探测时间，并非受限于数值计算的速度，而是受限于大量必要的光学测量。
因此，本发明的目的是提供一种光学探测三维外形的设备和方法，该方法只需极短的测量时间，与公知的根据现有技术的方法相比，其特别明显地具有更短的测量时间。因此，也可以对快速运动的或快速变化的物体进行三维外形的探测。
本发明的目的是通过在权利要求1(方法权利要求)特征部分中的特征和权利要求18(设备权利要求)特征部分中的特征及其前序部分的特征一起实现的。其从属权利要求中包含有一些实用的技术方案。
本发明的突出优点是，采用本发明的设备或本发明地方法，能够在几个毫秒或甚至少于皮秒的极短的时间内，实现光学探测三维外形。为此，由待测物体散射的和/或反射的和/或发射的光的传播时间作为光强调制被编码，并测量光强或光强分布。由光强分布的测量数据，可以求得三维对象/物体的外形。在此特别有益的是，在对光的传播时间作为光强调制进行编码和测量光强或光强分布之前，附加使用一合适的光源照射该待测物体。这里优选使用一脉冲激光光源。对光的传播时间作为光强调制的编码是通过至少一个转换器进行的，该转换器具有与时间相关的光的吸收、反射、透射和/或极化的变化。借此，具有一较长光程而较晚地通过该转换器的光，受到该转换器不同的吸收或透射、反射和/或极化，并将就这方面产生另外一个光强分布。因此，由光强分布就能得出光的传播时间，然后从光的传播时间就能确定三维物体的外形。测量物体以不同的方式反射照明光，比如通过在三维表面的不同反射系数反射，其反射的分布可以借助由一分光器实现的第二个光路来探测。然后物体的三维高度或表面轮廓，由在转换器后面测量得到的光强分布(无量纲)和无转换器的光路的光强分布，通过相关合适的数学运算(比如，除法)后得出。从这些分布中便可以得到光的传播时间，进而求得待测物体的三维外形。
转换器优选为一以染料为基础的非线性吸收体、一染料溶液、一滤光器和/或一半导体开关。作为染料优选的实施形式是使用三苯甲烷染料。该半导体开关优选具有一GaAs结构。而该转换器也可以是一光闸，比如一克尔盒或者一泡克耳斯盒。为了测量光强，在优选的实施方式中，采用CCD照相机或CMOS照相机。另外，本发明的设备中还有一反射镜和/或一部分透射反射镜，光学成像系统和/或光闸。
下面借助于附图中示出的至少部分实施例，对本发明做进一步的解释，其中：
图1是本发明用于光学探测外形的设备的示意图；
图2是第一个测量物体的照片；
图3是采用本发明的方法测量后，计算得到的第一个测量物体的高度轮廓图；
图4是作为灰度图进行编码的对第一个测量物体测量得到的强度分布；
图5是第二个测量物体的照片；
图6是采用本发明的方法测量后，计算得到的第二个测量物体的高度轮廓图；
图7是作为灰度图进行编码的对第二个测量物体测量得到的强度分布。
图1示意性示出了本发明的带有双测量通道的光学探测三维外形的设备，一个飞秒激光14照射到测量物体10上。激光14的光从分光器16输出后，被引向测量物体10，通过分光器16的另一部分光将以合适的延迟通过高反射镜20，被偏转到用于强度编码的转换器12上。该转换器12涉及一非线性快速开关的滤光器，这样的滤光器例如可以采用RG-系列产品(肖特公司(Firma Schott)，德国)。在测量物体10上散射的光借助透镜系统18被引导通过非线性吸收体(转换器12)的被激发而褪色的区域(Volumen)。测量物体10的散射光通过该转换器12后，借助一透镜系统22成像于CCD照相机的表面上。结果显示，借助CCD照相机26可以观测测量物体10上的散射光。通过非线性吸收体(转换器12)依赖于光传播时间的非线性特征曲线，对光的光强进行调制。在使用转换器12(RG-滤光器)时，产生吸收的对数返回时间，因此光强将依赖于延迟时间的对数标尺来对测量物体的形状进行编码。通过非线性吸收体(转换器12)，被强度编码的光的光强度分布将在CCD照相机26上产生相应的图像。因为第一个测量物体以各种不同的方式反射照明光，比如通过三维表面的不同反射系数反射光，所以该反射可以借助在分光器32、高反射镜30和透镜系统24后面的第二个CCD照相机28来探测，或者在没有转换器时(比如移开转换器12或者合适的光线转向)对照相机26进行第二次曝光探测。然后测量物体10的高度轮廓由在转换器12后面的借助CCD照相机26测得的强度除以同样由CCD照相机26在移开转换器12后测量到的第二个光强分布而得到。可变化的是，该第二个光强分布(没有光线通过转换器12)可以借助第二个CCD照相机28来测量。对以一非线性吸收体(转换器12)中的褪色寿命为函数的光强编码求对数并在校准之后，得出高度轮廓的标准(Normierung)。
图2示出了第一个测量物体的照片，该照片涉及一用于玻璃圆器皿的特氟隆(Teflon)器皿塞，该器皿塞具有大约为10毫米的实际延伸(Ausdehnung)。
图3示出了第一个测量物体的高度外形轮廓，其能够按本发明的方法测量后被计算出来，但该高度外形轮廓的标度同其实际数值并不相符。实际的总的延伸在X方向约为10毫米，在Y方向约为7.5毫米。借助本发明的方法，只从在图2中给出的透视照片仅能测出该器皿塞的直径。而围绕该器皿塞的背景是由CCD照相机的噪声引起的。
图4示出了作为灰度图进行编码的对第一个测量物体测量得到的强度分布。
本发明方法的突出优点是，其可以时间分辨率在亚纳秒范围内，重复速率在千赫范围内，以及优于1/1000的相对精度，测量快速变化的物体。
为了进行测量，所用的转换器是电触发的，或者为了得到更高的测量精度，其是采用光触发的。因为在透射变化效应(或反射/极化变化效应)的起伏(Flanke)中才能进行测量，并由此对该测量总是指定一个预定的时间间隔，所以其对于精度的要求不是非常高。基本上，不仅可以使用透射变化效应(或反射/极化变化效应)的上升沿，而且还可以使用其下降沿。在上述与图2至图7相应的实施例中，使用的是其下降沿。
在最简单的情况下，使用具有已知吸收逆转时间的非线性吸收体。通过相应的激发光，优选一脉冲激光使该吸收体褪色，在此过程中，激发光同测量光同步。然后在三维测量物体上被散射的和/或被反射的和/或发射的光，随传播时间的增加而变弱。
一这样的非线性吸收体，可以在快速开关滤光器的基础上实现，比如可供使用的RG-系列产品(肖特公司，德国)，或通过合适的染料，如三苯甲烷染料来实现，或者通过合适的半导体开关来实现。由于有系列可使用的标准组件，可以有利成本地生产本发明的设备。除了CCD照相机，特别是具有对数特征曲线的CMOS照相机，也适合计算光强分布，因为该照相机能够很好地充分利用非线性吸收体的特征曲线。
由照明或者转换器的透射截面的不均匀特性限制的测量精度，可以通过一参考通道或一参考测量，而显著地提高。此外，为了提高测量精度，还可以同时在不同的测量通道中或者依次作为附件安装不同的转换器。在每次激活较慢的转换器过程中，可以通过合适的设备(如共振器)，加倍增强对较快转换器的激活。由此便可以在一个大的(被扩大的)测量范围内，达到一个非常高的测量精度。
可以将不同观测得到的不同的测量结果进行组合，例如可将三维测量物体的数学描述转换成CAD格式。
按本发明，还可以在测量设备中附加安装栅格，使得只用来对事先已确定的深度范围进行物体三维外形探测。这样就有可能在例如散射的物体内部，进行三维形状探测。该方法可特别适合用于生物和/或医学中。
本发明的方法除可以对三维外形进行探测外，还可以进行一维或者二维外形的探测。在探测二维外形的情况下，比如可以操作照相机在带状模式下测量光强，或通过一线性行或者一PIN二极管取代照相机。通过对一个像点进行数值计算，就可以进行距离的测量。
图5示出了第二个测量物体的照片。该照片涉及的是一个可固定CD的CD护套内部区域和设于其后的弹性橄榄状卡口(Schlaucholive)的组合。
图6示出了第二个测量物体的高度轮廓外形，其可在按本发明的方法测量之后进行计算。在该图中，该第二个测量物体的不同高度等级明显可见。但仅根据相应图6的测量图形，只能测量到弹性卡口(Klammern)的前面部分，不能测出其深处的延伸部分。因此，在图6中只显示出了CD护套弹性卡口在Z方向(深度)的延伸。另外的一个效果是，由于在该橄榄状卡口上的一弹性卡口齿的阴影使得这一区域也是不能测量的。因此在位于CD护套后面的橄榄状卡口的三维轮廓中，示出的一部分是不符合真实情况的，但是该效果显然可以通过一个合适的照明而被消除掉。该例子只是用来说明本发明的方法，另外在图6中，如在图3、4和7中一样也没有给出一个最终的标度。尽管如此，第二个测量物体的三维结构还是能很好地被辨认出来。
图7示出了作为灰度图进行编码的对第二个测量物体测量得到的强度分布。
通过使用优质元件可基本上提高该测量方法的性能，从已有的测量可以估算出，对一个在厘米区域延伸的物体的深度测量，其测量精度可以达到小于10μm。
连续测量的速度只由数据计算的速度决定，由此，在有足够的计算效率的条件下，可以实现对三维的快速变化的物体进行实时测量。
由于上述优点，本发明的方法可被应用于很多领域，例如对快速运动部分的测量，如涡轮机，或者快速进行质量控制，如在微电子中，特别是对芯片、DVD和CD的质量控制。另外还可以用来测量透明物质，比如光纤的质量控制，或者用来测量液体和气体的流动过程。另外，本发明的方法还允许测量一个物体的通过其横截面分配的光强的时间顺序。因此，该方法可以实现对例如激光的光束形状进行质量控制。
本发明并不局限于上述实施例。在不脱离本发明的范围内，可以通过所述方法和特征的组合及修改，实现更多实施方式的变换。
附图标记一览表
10      测量物体
12      转换器
14      脉冲激光
16      分光器
18      透镜系统
20      高反射镜
22      透镜系统
24      透镜系统
26      CCD照相机
28      CCD照相机
30      高反射镜
32      分光器